脈沖電場(chǎng)下ZnO壓敏陶瓷動(dòng)態(tài)擊穿過(guò)程研究

祝志祥, 張強(qiáng), 朱思宇, 盧成嘉, 劉藝, 楊佳, 吳超峰, 曹林洪, 王軻, 高志鵬, 朱承治

脈沖電場(chǎng)下ZnO壓敏陶瓷動(dòng)態(tài)擊穿過(guò)程研究

祝志祥1, 張強(qiáng)1, 朱思宇2, 盧成嘉3, 劉藝3, 楊佳3, 吳超峰4, 曹林洪2, 王軻4, 高志鵬3, 朱承治5

(1. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司 電工新材料研究所, 先進(jìn)輸電技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102211; 2. 西南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 綿陽(yáng) 621000; 3. 中國(guó)工程物理研究院 流體物理研究所, 沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 綿陽(yáng) 621900; 4. 清華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100084; 5. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司, 杭州 310007)

陶瓷電擊穿問題涉及熱、光、電多場(chǎng)耦合效應(yīng), 一直是非平衡物理學(xué)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。本工作在不同燒結(jié)溫度下制備了晶粒尺寸大小不同的氧化鋅陶瓷, 采用脈沖高壓發(fā)生裝置對(duì)陶瓷進(jìn)行擊穿實(shí)驗(yàn), 通過(guò)對(duì)陶瓷擊穿過(guò)程的分析和對(duì)比, 研究了ZnO陶瓷體擊穿的時(shí)間步驟。結(jié)果顯示, 不同晶粒大小的陶瓷擊穿過(guò)程均在7 μs之內(nèi), 典型的壓降曲線分為三個(gè)階段。第一個(gè)階段對(duì)應(yīng)于材料中的氣孔擊穿和擊穿通道初步形成; 第二階段對(duì)應(yīng)于晶界擊穿; 第三個(gè)階段是導(dǎo)電通道的完全形成。研究數(shù)據(jù)顯示, 晶粒擊穿過(guò)程的持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng), 晶界次之, 氣孔的擊穿時(shí)間最短。不同燒結(jié)溫度下, 樣品晶界和晶粒的擊穿時(shí)間以及氣孔的擊穿速度均存在差異。

ZnO陶瓷; 多晶材料; 擊穿過(guò)程; 脈沖電壓

1967年日本松下公司首先開發(fā)出ZnO-Bi2O3系壓敏陶瓷[1], 由于其優(yōu)異的非線性系數(shù)、極快的響應(yīng)速度、較高的通流能力以及低廉的工藝成本, 被廣泛應(yīng)用于電過(guò)載保護(hù)領(lǐng)域, 如高壓輸電系統(tǒng)中的電涌保護(hù)器以及防雷系統(tǒng)中的避雷器等。在這些高壓環(huán)境的應(yīng)用中, 壓敏電阻與被保護(hù)裝置并聯(lián), 當(dāng)用電器兩端電壓驟升時(shí), 壓敏電阻的阻值會(huì)迅速減小, 使電路產(chǎn)生瞬間短路, 起到保護(hù)作用。壓敏電阻在工程應(yīng)用中需時(shí)常承受較高的電壓, 導(dǎo)致ZnO壓敏陶瓷的擊穿現(xiàn)象非常普遍, 為了避免壓敏電阻被擊穿所引起的輸電線路故障以及雷擊事故, 對(duì)壓敏電阻擊穿現(xiàn)象的研究在工程應(yīng)用中具有重大意義[2-3]。

陶瓷體中存在氣孔、晶粒、晶界等結(jié)構(gòu), 其電擊穿過(guò)程涉及到熱效應(yīng), 靜力學(xué)效應(yīng), 動(dòng)力學(xué)效應(yīng)[4]等, 目前還沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的模型來(lái)解釋陶瓷的擊穿問題。大量研究表明, 在電場(chǎng)作用下, 材料被擊穿時(shí)會(huì)在表面或內(nèi)部形成一條或多條擊穿通道(又稱導(dǎo)電通道), 因此光學(xué)方法成為觀測(cè)擊穿通道的動(dòng)態(tài)變化特征的主要方法, 并借此來(lái)研究透明電介質(zhì)材料的電擊穿過(guò)程。然而許多陶瓷材料不具有透光特性, 很難用光學(xué)方法直接觀察其擊穿通道變化。在針對(duì)不透光陶瓷體擊穿過(guò)程的研究中, 陳藝靈等[5]采用高速攝像機(jī)觀察了高壓陶瓷電容材料的擊穿過(guò)程, 但該方法只能記錄發(fā)生在電極表面以及邊沿的放電、燃燒等現(xiàn)象, 無(wú)法針對(duì)陶瓷內(nèi)部的擊穿過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)和分析。劉藝等[6]搭建了微秒脈沖高壓發(fā)生裝置, 通過(guò)測(cè)量PZT95/5陶瓷在脈沖電場(chǎng)下等效電阻的變化, 發(fā)現(xiàn)該陶瓷的體擊穿可分為兩個(gè)階段, 分別為孔洞、微裂紋擊穿和晶粒擊穿, 且體擊穿導(dǎo)電通道的形成速率大于沿面擊穿階段。目前, 對(duì)于ZnO壓敏陶瓷擊穿現(xiàn)象的研究主要集中于通過(guò)陶瓷粉體的改性, 從而提升陶瓷體的密度和均勻性[7-8]或者降低晶粒電阻[9-11], 優(yōu)化其在脈沖電流沖擊下的穩(wěn)定性和能量耐受量, 而對(duì)于擊穿過(guò)程本身的探索還有待完善。本研究采用微秒脈沖高壓發(fā)生裝置對(duì)不同溫度下燒結(jié)的ZnO壓敏陶瓷樣品進(jìn)行脈沖電壓加載, 分析對(duì)比了二者在擊穿過(guò)程中的壓降曲線的變化特征的異同, 得到了ZnO壓敏陶瓷各部分結(jié)構(gòu)被擊穿的先后順序, 并對(duì)影響各擊穿過(guò)程中時(shí)間和速度的因素做了分析, 為未來(lái)針對(duì)ZnO壓敏陶瓷材料物性的進(jìn)一步研究提供了思路。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用ZnO壓敏陶瓷采用分析純(99%)的原料進(jìn)行配料, 配方比例為94.8mol% ZnO, 1.7mol% Sb2O3, 0.6mol% Bi2O3, 0.8mol% Co3O4, 1.2mol% NiO, 0.62mol% MnO, 0.28mol% SiO2, 濕法球磨混合均勻并干燥后得到ZnO壓敏陶瓷粉體。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的聚乙烯醇(PVA)溶液。經(jīng)手工造粒后, 壓制成圓狀生坯。生坯經(jīng)排塑后, 以3 ℃/min的升溫速率分別在1000和1150 ℃燒結(jié)2 h, 對(duì)燒結(jié)后的樣品進(jìn)行打磨、超聲、刷銀, 在590 ℃保溫20 min燒銀, 最后獲得直徑為15 mm, 厚度約8 mm的試樣。本文中, 為了方便描述, 分別將在1000和1150 ℃燒結(jié)的ZnO陶瓷樣品簡(jiǎn)稱為1000 ℃樣品和1150 ℃樣品。

ZnO壓敏陶瓷的斷面形貌采用掃描電子顯微鏡(TM3000, 日本日立)進(jìn)行觀察。材料的相結(jié)構(gòu)組成采用X射線衍射儀(Dmax-RB, 日本理學(xué))進(jìn)行表征。研究中采用了自主搭建的高時(shí)間分辨電子測(cè)試系統(tǒng)(IFP, CAEP)[6]對(duì)不同燒結(jié)溫度的ZnO壓敏陶瓷進(jìn)行脈沖擊穿測(cè)試。測(cè)試平臺(tái)的時(shí)間分辨率為小于1 ns。

2 結(jié)果與討論

圖1為1000和1150 ℃樣品的X射線衍射分析(XRD)圖譜。從衍射峰上可以發(fā)現(xiàn), 兩個(gè)樣品的主要晶相組成均為ZnO相, Zn7Sb2O12尖晶石相和Bi2O3相。與其它類似組分ZnO壓敏陶瓷的衍射圖譜相比[12-14], 該配方所制備的陶瓷的X射線衍射圖譜中沒有出現(xiàn)硅鋅礦相, 這可能與配方中SiO2含量較少有關(guān)。另一方面, 配方中摻入的Co、Mn、Ni主要存在于晶界Zn7Sb2O12尖晶石相和Bi2O3相中, 其主要作用是改善材料的電性能, 并沒有改變陶瓷體的相結(jié)構(gòu)組成, 這與參考文獻(xiàn)中結(jié)果相一致[15]。對(duì)比不同溫度下燒結(jié)的ZnO壓敏陶瓷的衍射峰, 由于配方相同, 二者的ZnO相的峰強(qiáng)幾乎一致, 雖然1150 ℃樣品的ZnO晶粒更大, 但是二者ZnO相衍射峰的半高寬并沒有體現(xiàn)出明顯差異。這主要是由于通常情況下, XRD衍射峰半高寬的變化能反應(yīng)晶粒尺寸<100 nm的晶粒大小變化[16], 而本次研究中的ZnO壓敏陶瓷的晶粒大多是微米級(jí)的。另一方面, 1150 ℃樣品的Zn7Sb2O12尖晶石相衍射峰的強(qiáng)度有輕微的增大, 原因在于部分Zn7Sb2O12尖晶石相是在溫度達(dá)到900 ℃以上時(shí)由焦綠石相轉(zhuǎn)變而來(lái), 該反應(yīng)同時(shí)析出了Bi2O3, 反應(yīng)方程式如(1)所示。當(dāng)燒結(jié)溫度為1000 ℃時(shí), 生成尖晶石相的反應(yīng)不夠徹底, 所以其Zn7Sb2O12尖晶石相衍射峰強(qiáng)低于1150 ℃燒結(jié)的樣品。同時(shí), 1000 ℃樣品的Bi2O3相的衍射峰較1150 ℃樣品更強(qiáng), 這是因?yàn)槲龀龅腂i2O3液相隨著燒結(jié)溫度的升高出現(xiàn)了揮發(fā)現(xiàn)象, 導(dǎo)致了衍射峰的衰減。

2Zn2Bi3Sb3O14+17ZnO?

3Zn7Sb2O12+3Bi2O3(Liquid) (1)

圖2為在1000和1150 ℃樣品斷面的SEM照片, 圖中的白色方框標(biāo)識(shí)了材料中的氣孔, 而橢圓圈標(biāo)識(shí)晶界相。可以看出, Zn7Sb2O12尖晶石相和Bi2O3相均偏析在晶界。其中Bi2O3相作為晶界的骨架, 固溶有許多Co、Mn、Ni元素[17], 也是ZnO壓敏陶瓷的非線性-特性的來(lái)源[18]。Zn7Sb2O12尖晶石相則起到“釘扎作用”, 防止晶粒異常長(zhǎng)大, 并且該尖晶石相在生長(zhǎng)過(guò)程中使摻雜的Co、Mn、Ni元素均勻分布[19-20]。從晶粒大小來(lái)看, 1150 ℃樣品的晶粒遠(yuǎn)大于1000 ℃樣品, 1150 ℃樣品的晶粒尺寸為7~ 10mm, 而1000 ℃樣品的晶粒尺寸僅為1~3mm。這種差異主要是由于隨著燒結(jié)溫度的升高, 燒結(jié)的推動(dòng)力增大, 導(dǎo)致晶粒的長(zhǎng)大。另外, 1150 ℃樣品的晶粒表面出現(xiàn)了更大的氣孔, 且其密度(5.48 g/cm3)低于1000 ℃樣品的密度(5.56 g/cm3)。由圖1中的XRD測(cè)試結(jié)果可知, Bi2O3隨著溫度的升高析出并揮發(fā)造成大氣孔產(chǎn)生及密度下降的原因之一。除此之外, 更高溫度下晶界的移動(dòng)和氣孔合并對(duì)氣孔的長(zhǎng)大也有直接貢獻(xiàn)。

圖1 樣品的XRD圖譜

圖2 樣品斷面的SEM照片

1000和1150 ℃樣品的穩(wěn)壓電位梯度大概分別為2.4和1.6 kV/mm。為了重點(diǎn)研究材料的擊穿過(guò)程, 采用最高電壓為27 kV, 長(zhǎng)度為7 μs的脈沖電壓對(duì)樣品進(jìn)行擊穿測(cè)試, 實(shí)驗(yàn)等效電路與加載電壓波形如圖3(a)~(b)所示。由于加載電場(chǎng)遠(yuǎn)高于電位梯度, 故本研究中可以不考慮電位梯度對(duì)擊穿行為的影響。在圖3(a)中, T為調(diào)壓器, D為整流二極管,1為充電電阻,為脈沖電容, K為觸發(fā)開關(guān),2為限流電阻,3為保護(hù)電阻,s為負(fù)載(陶瓷樣品), 其中2為400 Ω。實(shí)驗(yàn)裝置采用25號(hào)變壓器油作為絕緣保護(hù)介質(zhì)。一般而言, 擊穿通道形成和發(fā)展的過(guò)程可簡(jiǎn)單地用材料等效電阻的變化過(guò)程來(lái)表征。陶瓷樣品在發(fā)生電擊穿前相當(dāng)于陶瓷電容器, 表現(xiàn)為非線性介質(zhì), 隨著擊穿過(guò)程中導(dǎo)電通道的形成, 樣品的電阻特性占據(jù)主導(dǎo)作用, 此時(shí)可近似作為線性電介質(zhì)分析其等效電阻的變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)電路模型, 陶瓷樣品電阻s、樣品兩端電壓s和裝置輸出電壓在擊穿過(guò)程中的變化規(guī)律可用電路方程描述為:

=s′(1 +2/s) (2)

基于脈沖高壓發(fā)生裝置設(shè)計(jì)原理, 擊穿發(fā)生時(shí)外部輸出電壓基本不變, 即d/d= 0, 由式(2)推導(dǎo)可得s與s的關(guān)系為:

s= (s′2)/(-s) (3)

式(3)中2和為已知, 因此可以由s推算出樣品電阻s隨時(shí)間的變化[6]。

圖4(a)~(b)所示為不同燒結(jié)溫度ZnO壓敏陶瓷樣品擊穿過(guò)程中電場(chǎng)的變化波形, 為了方便討論, 這里把整個(gè)電壓加載過(guò)程和陶瓷的擊穿過(guò)程分為1-7個(gè)區(qū)域(圖4(a))。區(qū)1為電壓加載的升壓區(qū), 我們可以看出, 1000和1150 ℃樣品都沒有在升壓過(guò)程中出現(xiàn)擊穿。在加載電場(chǎng)達(dá)到13.5 kV/mm后, 1000和1150 ℃樣品均在5 μs左右開始出現(xiàn)擊穿, 二者的擊穿電壓波形包含三個(gè)電壓穩(wěn)定區(qū)(2, 4, 6)和三個(gè)電壓下降區(qū)(3, 5, 7)。1000 ℃樣品和1150 ℃樣品在擊穿區(qū)3中的電壓梯度降最小, 分別從初始加載 電場(chǎng)強(qiáng)度13.5 kV/mm下降到了12和10.5 kV/mm, 壓降分別為1.5和3 kV/mm。擊穿區(qū)5中, 1000 ℃樣品的加載電位梯度從12 kV/mm下降到了6.5 kV/mm, 電位梯度降為5.5 kV/mm。1150 ℃樣品的電場(chǎng)強(qiáng)度從10.5 kV/mm下降到了6 kV/mm, 電位梯度降為4.5 kV/mm; 而在擊穿區(qū)7中, 1000 ℃樣品和1150 ℃樣品的電位梯度降基本相同, 分別為6.5和6 kV/mm。

圖3 裝置等效電路圖(a)和加載電壓波形(b)

圖4 不同燒結(jié)溫度陶瓷樣品的擊穿過(guò)程中的電場(chǎng)變化波形, 紫色電壓平臺(tái)區(qū)為樣品穩(wěn)定區(qū), 橙色電壓下降區(qū)為擊穿過(guò)程區(qū)

為了進(jìn)一步說(shuō)明材料的擊穿機(jī)制, 根據(jù)公式(2)~(3), 可以得出陶瓷樣品電阻在擊穿過(guò)程中隨時(shí)間的變化, 如圖5所示。根據(jù)曲線特征, 與電場(chǎng)變化相一致, 樣品的電阻變化有三個(gè)階段, 如圖中區(qū)域I、II、III所示。這三個(gè)階段分別對(duì)應(yīng)了圖4中的3、5和7階段。從圖5中可以直接看出, 區(qū)域I是擊穿的初始部分, 這部分發(fā)生在擊穿剛開始的200 ns左右。在這個(gè)階段, 兩個(gè)樣品的電阻均從1011W下降到104W左右。從電阻的數(shù)值上可以看出, 104W大于晶粒內(nèi)部的電阻值, 對(duì)應(yīng)晶界的電阻值。區(qū)域II的電阻值變化對(duì)應(yīng)于第二次電位降低, 對(duì)應(yīng)于晶界的擊穿, 孔洞或微裂紋擊穿后施加在晶界上的電場(chǎng)強(qiáng)度增大, 加上載流子產(chǎn)生的熱效應(yīng)的逐漸累積, 使得晶界發(fā)生擊穿。在這一階段, 陶瓷的電阻值從104W下降到102~103W。第三階段, 在熱效應(yīng)的作用下, 陶瓷內(nèi)部的通道進(jìn)一步擴(kuò)展, 晶粒晶界完全貫通, 電阻值進(jìn)一步下降至<10W, 并且逐漸趨于穩(wěn)定。一般而言, 由于材料內(nèi)部存在氣孔或者裂紋, 使電場(chǎng)非均勻分布, 因此通道裂紋內(nèi)部的電場(chǎng)與外加電場(chǎng)的分布不同。正是由于氣孔邊緣的電勢(shì)分布梯度大從而導(dǎo)致能量的集中, 在氣孔部位往往最先發(fā)生擊穿[21]?？梢哉J(rèn)為擊穿區(qū)I代表著ZnO壓敏陶瓷中氣孔的擊穿。值得明確的是, 由于陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 這里的氣孔擊穿必然會(huì)伴隨著一些晶界和晶粒的擊穿效應(yīng)。因此, 這里的區(qū)域I更多地代表了由氣孔擊穿誘發(fā)的通道開始形成。另外, 由于1150 ℃樣品中的氣孔更大, 占比更多, 所以在擊穿區(qū)3中1150 ℃樣品的壓降大于1000 ℃樣品 (圖4)。擊穿區(qū)II為晶界的擊穿過(guò)程, 由于1000 ℃樣品的晶粒小于1150 ℃樣品的晶粒, 在厚度相同的情況下, 1000 ℃樣品晶界更多, 使其擊穿電壓波形出現(xiàn)更大的壓降。擊穿區(qū)III為ZnO晶粒的擊穿區(qū), 相比于晶界濃度對(duì)擊穿的影響, ZnO晶粒的大小并不會(huì)對(duì)其在擊穿電壓波形中的壓降造成顯著影響, 這可能是晶界的電阻率遠(yuǎn)高于晶粒的電阻率所致[22-23]。

圖5 陶瓷電阻變化曲線(a)和擊穿過(guò)程的圖解示意圖(b)~(e)

圖5(b)~(e)為ZnO壓敏陶瓷在脈沖電場(chǎng)下的擊穿過(guò)程示意圖, 圖中圓圈代表陶瓷體中的氣孔, 線條代表晶界, 由線條交織圍成的塊狀區(qū)域代表晶粒。圖5(c)為缺陷擊穿階段, 在脈沖電場(chǎng)的作用下, 能量首先集中于ZnO壓敏陶瓷體內(nèi)部的氣孔, 此時(shí), 導(dǎo)電通道開始形成。圖5(d)為晶界擊穿階段, 氣孔擊穿后, 施加在陶瓷晶界上的電場(chǎng)增大, 晶界附近的載流子濃度逐漸上升, 其累加的熱效應(yīng)導(dǎo)致晶界被擊穿, 導(dǎo)電通道拓展至晶界。圖5(e)為晶粒擊穿階段, 在氣孔和晶界均被擊穿后, 能量全部集中于晶粒, 使晶粒發(fā)生擊穿現(xiàn)象, 最終陶瓷體被完全擊穿。綜上所述, 可將陶瓷被擊穿的先后順序歸納為: 氣孔擊穿→晶界擊穿→晶粒擊穿。此結(jié)果與文獻(xiàn)上報(bào)道的PZT95/5陶瓷擊穿過(guò)程[6]有相似之處。多晶陶瓷材料內(nèi)部的缺陷在電場(chǎng)加載下, 會(huì)出現(xiàn)局域的電場(chǎng)增強(qiáng), 從而首先擊穿的是存在氣孔的局部區(qū)域, 之后再是陶瓷本身的擊穿。

從擊穿時(shí)間來(lái)看, 圖4中三個(gè)擊穿區(qū)的擊穿時(shí)間大小關(guān)系為: 擊穿區(qū) 7>擊穿區(qū) 5>擊穿區(qū) 3。1000 ℃樣品擊穿的總時(shí)間以及對(duì)應(yīng)的擊穿區(qū)5和擊穿區(qū)7時(shí)間均長(zhǎng)于1150 ℃樣品, 但二者擊穿區(qū)3時(shí)間幾乎相等。方波持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng), 方波能量越大。由此可以認(rèn)為, 在ZnO壓敏陶瓷中, 各部分能量耐受能力大小關(guān)系為: 晶粒>晶界>氣孔。對(duì)比兩個(gè)試樣, 1000 ℃樣品晶界、晶粒的能量耐受能力均大于1150 ℃樣品, 而二者氣孔的能量耐受能力相仿。一般來(lái)說(shuō), 陶瓷體內(nèi)部電阻分布的均勻性是影響能量耐受能力的主要因素[24-25]。隨著燒結(jié)溫度升高, 氣孔的體積增大, 但在配方比例和制備流程相同的情況下, 可以認(rèn)為氣孔分布的均勻性差異不大。而燒結(jié)溫度的升高同樣會(huì)使部分晶粒出現(xiàn)二次結(jié)晶的現(xiàn)象, 導(dǎo)致一些晶界的消失和極大晶粒的出現(xiàn), 劣化了晶界和晶粒電阻的均勻性, 使晶界和晶粒的能量耐受能力下降, 擊穿時(shí)間縮短。基于圖4(a)~(b)所示擊穿電壓波形變化圖, 進(jìn)一步研究了不同燒結(jié)溫度的ZnO壓敏陶瓷在三個(gè)擊穿過(guò)程中的速度差異, 對(duì)應(yīng)圖4(a)~(b)中的擊穿區(qū)(3, 5, 7), 如圖6所示。發(fā)現(xiàn)1150 ℃樣品的氣孔擊穿速度大約為8.8 kV/(mm×μs)大于1000 ℃樣品的2.1 kV/(mm×μs), 而二者晶界和晶粒的擊穿速度沒有明顯差異。可以認(rèn)為1150 ℃樣品中更大的氣孔體積造成了氣孔結(jié)構(gòu)附近更大的電勢(shì)分布梯度, 從而使局部電場(chǎng)更為集中, 能量聚集得更快, 因此擊穿速度更快。而晶界和晶粒的擊 穿是由于電場(chǎng)繼續(xù)增加后載流子所產(chǎn)生熱效應(yīng)的累積[21], 在組分和制備流程相同的前提下, 不同溫度燒結(jié)的樣品其晶界和晶粒中的載流子濃度大致相同, 電流傳導(dǎo)速度接近, 所以1000和1150 ℃樣品在晶界擊穿區(qū)和晶粒擊穿區(qū)的擊穿速度是幾乎一致的。

圖6 兩個(gè)樣品在氣孔擊穿(a)、晶界擊穿(b)和晶粒擊穿(c)時(shí)的對(duì)比圖

3 結(jié)論

本文對(duì)不同燒結(jié)溫度(1000 和 1150 ℃)的ZnO壓敏陶瓷在脈沖電場(chǎng)下的動(dòng)態(tài)擊穿過(guò)程進(jìn)行了初探。通過(guò)其壓降大小的變化, 確定了其體擊穿的時(shí)間步驟為氣孔擊穿→晶界擊穿→晶粒擊穿, 并通過(guò)對(duì)擊穿曲線的進(jìn)一步分析, 認(rèn)定影響各擊穿區(qū)域擊穿時(shí)間的因素為對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)電阻分布的均勻性, 各部分能量耐受能力大小關(guān)系為: 晶粒>晶界>氣孔。不同燒結(jié)溫度下, 樣品的氣孔擊穿時(shí)間保持一致, 而晶界和晶粒的擊穿時(shí)間隨樣品燒結(jié)溫度的升高而降低。影響各擊穿區(qū)域擊穿速度的因素為電流在相應(yīng)擊穿通道的累積速度, 隨著樣品的燒結(jié)溫度的升高, 氣孔的擊穿速度加快, 晶界及晶粒的擊穿速度保持不變。

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Dynamic Breakdown of ZnO Varistor Ceramics under Pulsed Electric Field

ZHU Zhi-Xiang1, ZHANG Qiang1, ZHU Si-Yu2, LU Cheng-Jia3, LIU Yi3, YANG Jia3, WU Chao-Feng4, CAO Lin-Hong2, WANG Ke4, GAO Zhi-Peng3, ZHU Cheng-Zhi5

(1. State Key Laboratory of Advanced Power Transmission Technology, Institute of New Electrical Materials, Global Energy Interconnection Research Institute, Beijing 102211, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621000, China; 3. Laboratory of Shock Wave and Detonation Physics, Institute of Fluid Physics, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China; 4. School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 5. State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd., Hangzhou 310007, China)

Electrical breakdown process of ceramics is a complex process related to electrical, thermal, and light effects. It has attracted lots of attentions. But the mechanism of dielectric breakdown is still under debate, especially for the solid ceramics. In this study, the ceramics with different grain size were sintered at different temperatures. A square pulsed voltage of 27 kV with the pulse width of 7ms was generated to breakdown the ZnO ceramics with a thickness of 2 mm. Electric breakdown process of these ceramics were investigated using a homemade high-time- resolution electric detection system with the resolution < 1 ns. Compared the electric behaviors of ZnO ceramics with different grain sizes during the breakdown process, it is clear that the whole electric breakdown process could be divided into three main steps, all of which can completed within 7ms. The first breakdown step is the pores breakdown due to the electric field concentration, and the second step is the grain boundaries breakdown, and then the bulk grain is broken-down leading to form the whole electrical breakdown channel. The data shows that the breakdown process of the grains has the longest duration, the grain boundary is the second, and the pores breakdown is the shortest. For the ceramics with different grain sizes, the breakdown durations of the grain boundaries are different. The duration and electrical breakdown speed of the three step processes are directly affected by the resistance uniformity and carrier concentration of the materials.

ZnO ceramics; polycrystalline materials; breakdown process; pulse voltage

TN304

A

1000-324X(2019)07-0715-06

10.15541/jim20180429

2018-09-14;

2018-11-12

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(52110417000S) National Power Grid Corp Science and Technology Project (52110417000S)

祝志祥(1981–), 男, 博士. E-mail: zhuzhixiang003@163.com

王軻, 副教授. E-mail: wang-ke@tsinghua.edu.cn; 高志鵬, 副研究員. E-mail: z.p.gao@foxmail.com